Operating System 简明教程

操作系统是一个充当用户与计算机硬件之间的接口的程序，并且控制各类程序的执行。

以下是操作系统的部分重要功能。

内存管理是指对主内存或主存储器的管理。主内存由一组单词或字节组成，每个单词或字节拥有自己的地址。

主内存提供一种由 CPU 直接访问的快速存储器。程序需要在主内存中才能执行。操作系统针对内存管理执行以下活动：-

在多道程序设计环境中，操作系统决定哪个进程在何时获得处理器，以及获得多长时间的处理器。此功能称为 process scheduling 。操作系统针对处理器管理执行以下活动：-

操作系统通过各个驱动程序管理设备通信。操作系统针对设备管理执行以下活动：-

文件系统通常根据目录进行整理，以方便浏览和使用。这些目录可能包含文件以及其他的方向。

操作系统对文件管理执行以下活动 -

以下是操作系统执行的部分重要活动 -

批处理操作系统的用户不会直接与计算机交互。每个用户都会在脱机设备（如穿孔卡）上准备自己的作业，并将其提交给计算机操作员。为了加快处理速度，需求类似的作业会被批处理在一起并作为一组运行。程序员会将自己的程序留给操作员，然后操作员会将具有相似需求的程序分类到批处理中。

批处理系统的缺点如下 −

分时是一种技术，它使许多位于不同终端的人员能够同时使用一个特定的计算机系统。分时或多任务处理是多道程序设计的逻辑扩展。同时在多个用户之间共享的处理器的時間称为分时。

多道程序批处理系统和分时系统之间的主要区别在于，在多道程序批处理系统的情况下，目标是最大化处理器使用率，而在分时系统中，目标是最小化响应时间。

CPU 通过在多个作业之间切换来执行多个作业，但切换发生得很频繁。因此，用户可以收到即时响应。例如，在事务处理中，处理器以短时间段或计算量子执行每个用户程序。也就是说，如果存在 n 个用户，那么每个用户都可以获得一个时间量子。当用户提交命令时，响应时间最多只有几秒钟。

操作系统使用 CPU 调度和多道程序设计为每个用户提供一小部分时间。最初主要设计为批处理系统的计算机系统已经修改为分时系统。

分时操作系统具有以下优点：

分时操作系统的缺点如下：

分布式系统使用多个中央处理器为多个实时应用程序和多个用户提供服务。数据处理作业相应地分布在处理器之间。

处理器通过各种通信线路（例如高速总线或电话线）相互通信。这些被称为 loosely coupled systems 或分布式系统。分布式系统中的处理器在大小和功能上可能有所不同。这些处理器被称为站点、节点、计算机等。

分布式系统的优点如下：

网络操作系统在服务器上运行，并为服务器提供管理数据、用户、组、安全、应用程序和其他网络功能的能力。网络操作系统的主要目的是允许网络中多台计算机（通常是局域网 (LAN)、专用网络或其他网络）之间共享文件和打印机访问权限。

网络操作系统示例包括 Microsoft Windows 服务器 2003、Microsoft Windows 服务器 2008、UNIX、Linux、Mac OS X、Novell NetWare 和 BSD。

网络操作系统的优点如下 −

网络操作系统的缺点如下 −

实时系统定义为一个数据处理系统，其中处理和响应输入所需的时间间隔非常小，以至于它控制着环境。系统响应输入并显示所需更新信息所花费的时间称为 response time 。因此，在这种方法中，与联机处理相比，响应时间非常少。

当对处理器的操作或数据流有严格的时间要求时，可以使用实时系统，并且可以在专用应用程序中将实时系统用作控制设备。实时操作系统必须具有明确定义的、固定的时间约束，否则系统将失败。例如，科学实验、医学影像系统、工业控制系统、武器系统、机器人、空中交通管制系统等。

实时操作系统有两种类型。

操作系统处理从用户程序到系统程序（如打印机后台程序、名称服务器、文件服务器等）的多种活动。这些活动中的每一个都封装为一个进程。

进程包括完整的执行上下文（要执行的代码、要处理的数据、寄存器、正在使用的操作系统资源）。以下是操作系统在程序管理方面的主要活动 −

I/O 子系统包含 I/O 设备及其相应的驱动程序软件。驱动程序向用户隐藏特定硬件设备的特性。

操作系统对用户和设备驱动器之间的通信进行管理。

一个文件表示收集起来的相关信息。计算机可以将文件存储在磁盘（二级存储）上，以作长期存储之用。存储介质的示例包括磁带、磁头磁盘和光盘驱动器，如 CD、DVD。这些介质每一种都有其自己的属性，如速度、容量、数据传输速率和数据访问方法。

文件系统通常被组织成目录，以便进行轻松导航和使用。这些目录可能包含文件和其他方向。以下是操作系统在文件管理方面的几个主要活动 −

在分布式系统的情况下，该系统是处理器集合，不共享内存、外围设备或时钟，操作系统管理所有进程之间的通信。多个进程通过网络中的通信线路互相通信。

操作系统处理路由和连接策略以及争用和安全问题。以下是操作系统在通信方面的几个主要活动 −

错误随时可能发生。错误可能发生在 CPU 中、在 I/O 设备中或在内存硬件中。以下是操作系统在错误处理方面的几个主要活动 −

在多用户或多任务环境中，需要为每个用户或作业分配主存储器、CPU 周期和文件存储等资源。以下是操作系统在资源管理方面的主要活动−

对于具有多个用户且同时执行多个进程的计算机系统，必须保护各个进程免于彼此活动的影响。

保护是指控制程序、进程或用户访问计算机系统所定义的资源的一种机制或方法。以下是操作系统在保护方面的主要活动−

批处理是一种技术，在该技术中，操作系统在处理开始前先将程序和数据一起收集到一个批处理中。操作系统执行与批处理相关​​的以下活动：

多任务是指 CPU 通过在多个作业之间进行切换来同时执行多个作业。切换发生得非常频繁，以至于用户可以在程序运行时与其交互。操作系统执行与多任务处理相关的以下活动：

*多道程序设计*是指在两个及以上的程序同时驻留在内存中时共享处理器。多道程序设计假定有一个共享处理器。多道程序设计通过组织作业来提高 CPU 利用率，以便 CPU 始终有作业可执行。

下图显示了多道程序设计系统的内存布局。

操作系统会执行与多道程序设计相关的一些活动。

交互性是指用户与计算机系统交互的能力。操作系统会执行与交互性相关的一些活动：

操作系统的响应时间需要很短，因为用户会提交并等待结果。

实时系统通常是专用嵌入式系统。操作系统会执行与实时系统活动相关的一些活动。

分布式环境是指计算机系统中多个独立的 CPU 或处理器。操作系统对分布式环境执行以下活动：

Spooling 是在线同时外围操作的首字母缩写词。Spooling 指的是将各种 I/O 作业的数据放入缓冲区。此缓冲区是 I/O 设备可访问的内存或硬盘上的一个特殊区域。

操作系统对分布式环境执行以下活动：

进程基本上是一个正在执行的程序。进程的执行必须按顺序进行。

简单地说，我们以文本文件形式编写计算机程序，当我们执行该程序时，它将变成一个进程，执行程序中提到的所有任务。

当一个程序被加载到内存中并成为一个进程时，它可以被划分为四个部分 ─ 栈、堆、文本和数据。下图显示了主内存中一个进程的简化布局 −

程序是一段代码，可以是一行或数百万行代码。计算机程序通常由计算机程序员使用编程语言编写。例如，下面是一个用 C 编程语言编写的简单程序 −

计算机程序是一组指令，执行时执行特定任务。如果将程序与进程进行比较，我们可以得出结论：进程是一个计算机程序的动态实例。

计算机程序中执行明确定义的任务的部分称为 algorithm 。计算机程序、库和相关数据的集合称为 software 。

在进程执行期间会经历不同的状态。这些状态在不同的操作系统中可能有所不同，且这些状态的名称也没有进行标准化。

一般来说，一个进程每次可以处于以下五个状态之一。

进程控制块是由操作系统为每个进程维护的一个数据结构。进程控制块由整型进程 ID (PID) 标识。进程控制块保留所有所需的信息以跟踪一个进程，如下表所列 −

PCB 的架构完全依赖于操作系统，并且在不同的操作系统中可能包含不同的信息。这是一个简化的 PCB 图示 −

PCB 在整个生命周期中都维护着一个进程，并在进程终止时删除。

进程调度是进程管理器的一种活动，负责从CPU中移除正在运行的进程，并根据特定策略选择另一个进程。

进程调度是多道程序操作系统的必然部分。此类操作系统允许一次将多个进程加载到可执行内存中，并且已加载的进程使用时分复用共享CPU。

操作系统在进程调度队列中维护所有 PCB。操作系统为每个进程状态维护一个单独的队列，并且相同执行状态的所有进程的 PCB 都放置在同一个队列中。当进程的状态更改时，其 PCB 从其当前队列中取消链接，并移动到其新的状态队列。

操作系统维护着以下重要的进程调度队列−

操作系统可以使用不同的策略来管理每个队列（FIFO、循环优先级等）。操作系统调度程序确定如何在就绪队列和运行队列之间移动进程，这在系统上的每个处理器核上只能有一个条目；在上图中，它已与CPU合并。

两态进程模型是指下面描述的运行态和非运行态：

调度程序是特殊系统软件，以各种方式处理进程调度。它们的主要任务是选择要提交给系统的作业并决定运行哪个进程。调度程序有三种类型：

它也被称为 job scheduler 。长期调度程序确定哪些程序被允许进入系统进行处理。它从队列中选择进程并将它们加载到内存中以执行。进程加载到内存中以进行 CPU 调度。

作业调度程序的主要目标是提供平衡的作业组合，如 I/O 绑定和处理器绑定。它还控制多道程序设计的程度。如果多道程序设计的程度稳定，那么进程创建的平均速率必须等于离开系统的进程的平均离开率。

在某些系统上，长期的调度程序可能不可用或是最小的。分时操作系统没有长期调度程序。当进程将状态从新建更改为就绪时，则使用长期调度程序。

它也被称为 CPU scheduler 。其主要目的是根据所选的一组标准来提高系统性能。它是进程从就绪态变为运行态的变化。CPU 调度程序从准备执行的进程中选择一个进程并将 CPU 分配给其中之一。

短期调度程序（也称为分派程序）决定接下来执行哪个进程。短期调度程序比长期调度程序更快。

中期调度是 swapping 的一部分。它从内存中删除进程。它降低了多道程序设计的程度。中期调度程序负责处理换出进程。

如果一个正在运行的进程发出 I/O 请求，则该进程可能会被挂起。被挂起的进程无法继续执行。在这种情况下，为了从内存中删除进程并为其他进程腾出空间，将被挂起的进程移到辅助存储器中。此过程称为 swapping ，并且该进程据说是被换出或注销的。交换可能需要改进进程组合。

上下文切换是存储和恢复进程控制块中 CPU 的状态或上下文的一种机制，以便以后从同一位置恢复进程执行。使用此技术，上下文切换程序允许多个进程共享单个 CPU。上下文切换是多任务操作系统功能的本质部分。

当调度程序将 CPU 从执行一个进程切换到执行另一个进程时，从当前正在运行的进程中的状态将被存储到进程控制块中。此后，要执行的下一次进程的状态将从其自身的 PCB 中加载并用于设置 PC、寄存器等。在这一点上，第二个进程可以开始执行。

上下文切换在计算上是密集的，因为必须保存和还原寄存器和内存状态。为了避免上下文切换时间，一些硬件系统采用两组或更多组处理器寄存器。当进程切换时，以下信息将被存储以供以后使用。

每个进程的 Wait time 如下 −

平均等待时间：(0+4+6+13) / 4 = 5.75

给定：进程表及其到达时间、执行时间

每个进程的 Waiting time 如下：-

平均等待时间：(0 + 4 + 12 + 5)/4 = 21 / 4 = 5.25

给定：进程表及其到达时间、执行时间和优先级。在这里，我们认为 1 是最低优先级。

每个进程的 Waiting time 如下：-

平均等待时间：(0 + 10 + 12 + 2)/4 = 24/4 = 6

每个进程的 Wait time 如下 −

平均等待时间：(9 + 2 + 12 + 11)/4 = 8.5

多级队列并不是一个独立的调度算法。它们利用其他现有算法对具有共同特征的任务进行分组和调度。

例如，CPU 绑定任务可以在一个队列中调度，所有 I/O 绑定任务在另一个队列中调度。然后进程调度器交替从每个队列中选择任务，并根据分配给该队列的算法将它们分配给 CPU。

一个线程是一个通过进程代码执行的流，它有自己的程序计数器，用来跟踪下一个要执行的指令，有用来保存当前工作变量的系统寄存器以及包含执行历史的堆栈。

一个线程与它的对等线程共享一些信息，例如代码段、数据段和打开的文件。当一个线程更改某代码段内存项时，其他所有线程都会看到。

一个线程也称为 lightweight process 。线程提供了一种通过并行性来提高应用程序性能的方法。线程代表了一种通过降低开销来提高操作系统性能的软件方法，线程相当于一个传统进程。

每一个线程都精确地属于一个进程，且没有一个线程能够存在于进程之外。每一个线程代表一个独立的控制流。线程已经在网络服务器和 Web 服务器的实现中得到了成功的应用。它们还为共享内存多处理机上应用程序的并行执行提供了一个合适的基石。下图显示了单线程和多线程进程的工作方式。

线程通过以下两种方式实现：

在这种情况下，线程管理内核不知道线程的存在。线程库包含用于创建和销毁线程、在线程之间传递消息和数据、调度线程执行以及保存和还原线程上下文的代码。该应用程序从单个线程开始。

在这种情况下，线程管理是由内核完成的。应用程序区域中没有线程管理代码。内核线程直接受操作系统支持。任何应用程序都能被编程为多线程的。应用程序中的所有线程都在一个单一进程中受到支持。

内核对进程整体和进程中的各个线程维护上下文信息。内核根据线程进行调度。内核在内核空间中执行线程创建、调度和管理。与用户线程相比，内核线程通常创建和管理的速度较慢。

一些操作系统提供了一种组合的用户级线程和内核级线程工具。Solaris 就是这种方法的一个很好的示例。在组合系统中，同一个应用程序中的多个线程可以在多处理器上并行运行，并且一个阻塞系统调用不必阻塞整个进程。多线程模式有三种类型：

多对多模型将任意数量的用户线程复用到相等或更少数量的内核线程上。

下图显示了多对多线程模型，其中 6 个用户级线程与 6 个内核级线程进行复用。在这个模型中，开发者可以创建任意数量必要的用户线程，而对应的内核线程可以在多处理器机器上并行运行。此模型可以最准确地反映并发性，当一个线程执行阻塞系统调用时，内核可以调度另一个线程执行。

多对一模型将许多用户级线程映射到一个内核级线程上。线程管理在用户空间中通过线程库完成。当线程执行一个阻塞系统调用时，整个进程将被阻塞。一次只能有一个线程访问内核，因此多线程无法在多处理器上并行运行。

如果以系统不支持的方式在操作系统中实现用户级线程库，那么内核线程将使用多对一关系模式。

用户级线程和内核级线程之间是 一对一 关系。此模型比多对一模型提供了更高的并发性。它也允许在某个线程执行阻塞系统调用时运行另一个线程。它支持多线程在微处理器上并行执行。

这个模型的劣势是创建用户线程需要相应的内核线程。OS/2、Windows NT 和 Windows 2000 使用一对一关系模型。

进程地址空间是由进程在其代码中引用的逻辑地址集。例如，当使用 32 位寻址时，地址范围可以从 0 到 0x7fffffff；换句话说，可能共有 2^31 个编号，理论大小总计为 2GB。

操作系统负责在将内存分配给程序时将逻辑地址映射到物理地址。在分配内存之前和之后，程序中会使用三种类型的地址 −

在编译时和加载时地址绑定方案中，虚拟地址和物理地址相同。在执行时地址绑定方案中，虚拟地址和物理地址不同。

程序所生成的所有逻辑地址的集合被称为 logical address space 。相应于这些逻辑地址的所有物理地址的集合被称为 physical address space. 。

虚拟地址到物理地址的运行时映射是由内存管理单元 (MMU) 完成的，这是一个硬件设备。MMU 使用以下机制将虚拟地址转换为物理地址。

在开发计算机程序时必须在静态或动态加载之间进行选择。如果您必须静态加载程序，那么在编译时将编译并链接完整程序，而不会留下任何外部程序或模块依赖项。链接程序将目标程序与其他必需目标模块合并为绝对程序，其中也包括逻辑地址。

如果您正在编写一个动态加载程序，那么您的编译器将编译程序，并且对于您想要动态包含的所有模块，只会提供引用，其余工作将在执行时完成。

在加载时，使用 static loading ，绝对程序（和数据）将加载到内存中以便执行开始。

如果您使用 dynamic loading ，库的动态例程将以可重定位方式存储在磁盘上，并且仅当程序需要时才加载到内存中。

如上所述，当使用静态链接时，链接器将程序所需的所有其他模块组合成一个可执行程序，以避免任何运行时依赖。

当使用动态链接时，不需要将实际的模块或库与程序链接，而是在编译和链接时提供对动态模块的引用。Windows 中的动态链接库 (DLL) 和 Unix 中的共享对象是动态库的良好示例。

交换是一种机制，其中进程可以暂时从主内存（或移动）交换到辅助存储（磁盘），并使该内存可供其他进程使用。在稍后的某个时间，系统将从辅助存储器将进程换回主内存。

尽管性能通常会受到交换进程的影响，但它有助于并行运行多个大型进程，这就是 Swapping is also known as a technique for memory compaction 的原因。

交换进程所花费的总时间包括将整个进程移动到辅助磁盘以及再将进程复制回内存所需的时间，以及进程重新获取主内存所需的时间。

让我们假设用户进程的大小为 2048KB，并且在交换将发生在其上的标准硬盘上，数据传输速率约为每秒 1 MB。从或到内存传输 1000K 进程的实际传输将花费

现在考虑到输入和输出时间，它将花费完整的 4000 毫秒加上其他开销，其中进程竞争以重新获取主内存。

主内存通常有两个分区：

操作系统使用以下内存分配机制。

当进程从内存中加载并删除时，空闲内存空间会被分成小块。有时会发生这种情况：进程无法分配给内存块，因为它们的尺寸小，而且内存块仍然未使用。此问题称为碎片。

碎片有两种类型：

下图显示了碎片如何导致内存浪费，以及如何使用压缩技术从碎片内存中创建更多可用内存−

可以通过压缩或混洗内存内容来减少外部碎片，从而将所有可用内存集中在一个大块中。为了使压缩可行，重定位应该是动态的。

可以通过有效分配最小的分区（但足以满足进程需要）来减少内部碎片。

计算机可以寻址超过系统上实际安装的内存量。此额外内存实际上称为虚拟内存，它是将硬盘的一部分设置为模拟计算机 RAM。分页技术在实现虚拟内存中扮演着重要角色。

分页是一种内存管理技术，其中进程地址空间被分成称为 pages 大小相同的块（大小是 2 的幂，介于 512 字节和 8192 字节之间）。进程的大小以页数来衡量。

类似地，主内存被分成称为 frames 的小型固定大小块（物理）内存，并且帧的大小与页的大小保持相同，以便最大程度地利用主内存并避免外部碎片。

分段是一种内存管理技术，其中每个作业被分成多个不同大小的段，每个段对应一个模块，其中包含执行相关功能的部分。每个段实际上是程序的不同逻辑地址空间。

当一个进程要被执行时，对于任一代码段，尽管每个代码段被加载到一个可用的连续内存块中，其对应的分段会被加载到不连续的内存中。

分段内存管理的工作方式与分页非常相似，但是这里的代码段长度可变，而在分页中页面的大小是固定的。

一个程序代码段包含程序的主函数、实用函数、数据结构等。操作系统对每一个进程维护一个 segment map table 和一个空闲内存块列表以及代码段号、它们的大小和主内存中对应的内存位置。对于每一个代码段，该表储存代码段的起始地址和代码段的长度。对一个内存位置的引用包括一个标识代码段的值和一个偏移量。

按需分页系统与交换分页系统非常相似，其中进程驻留在辅助内存中，并且仅在需要时加载页面，而不是预先加载。当发生上下文切换时，操作系统不会将任何旧程序的页面复制到磁盘或将任何新程序的页面复制到主内存。相反，它只在加载第一页后开始执行新程序，并在引用时获取该程序的页面。

在执行程序时，如果程序引用了由于不久前交换出去而不在主内存中的页面，则处理器将这种无效内存引用视为 page fault ，并将控制权从程序转移到操作系统以要求将页面调回到内存。

页面替换算法是操作系统用来决定将哪些内存页面换出、在需要分配内存页时写入磁盘的技术。分页发生在页面错误发生且不能将空闲页面用于分配目的时，原因是页面不可用或空闲页面的数量低于所需页面。

当选择了要替换并换出的页面后，如果再次引用该页面，则必须从磁盘中读入，这需要 I/O 完成。此过程决定了页面替换算法的质量：等待页面输入所需的时间越少，算法就越好。

页面替换算法会查看硬件提供的有关访问页面的有限信息，并尝试选择应替换的页面以最小化页面缺失总数，同时平衡算法本身的存储器和处理器时间成本。存在许多不同的页面替换算法。我们通过在特定的内存引用字符串上运行算法并计算页面错误数来评估算法。

内存引用字符串称为引用字符串。引用字符串是人工生成的，或通过跟踪给定系统并记录每个内存引用的地址而生成的。后一种选择会产生大量的数据，我们注意到两件事。

设备驱动程序是可以插入操作系统以处理特定设备的软件模块。操作系统借助设备驱动程序来处理所有 I/O 设备。

设备控制器充当设备和设备驱动程序之间的接口。I/O 单元（键盘、鼠标、打印机等）通常由机械组件和电子组件组成，电子组件称为设备控制器。

对于每个设备，始终有一个设备控制器和一个设备驱动程序与操作系统通信。一个设备控制器可能会处理多个设备。作为接口，其主要任务是将串行比特流转换为字节块，根据需要执行纠错。

连接到计算机的任何设备都是通过插头和插槽连接的，插槽连接到设备控制器。以下是用于连接 CPU、内存、控制器和 I/O 设备的模型，其中 CPU 和设备控制器都使用公共总线进行通信。

CPU 必须有一种方法来与 I/O 设备之间传递信息。有三种方法可用于与 CPU 和设备通信。

像键盘这样的慢速设备将在传输每个字节后向主 CPU 生成一个中断。如果像磁盘这样的快速设备为每个字节生成中断，则操作系统将花费其大部分时间来处理这些中断。因此，一台典型的计算机使用直接内存访问 (DMA) 硬件来减少此开销。

直接内存访问 (DMA) 表示 CPU 授予 I/O 模块在不参与的情况下读写内存的权限。DMA 模块本身控制主内存和 I/O 设备之间的数据交换。CPU 只参与传输的开始和结束，并且仅在整个块传输完成后才中断。

直接内存访问需要一种称为 DMA 控制器 (DMAC) 的特殊硬件，它管理数据传输并仲裁对系统总线的访问。这些控制器使用源指针和目标指针（读取/写入数据的目的地）、用于跟踪传输字节数的计数器以及设置（包括 I/O 和内存类型、中断和 CPU 周期的状态）进行编程。

操作系统使用 DMA 硬件如下所示 −

计算机必须有办法检测到任何类型的输入的到达。有两种可能发生的情况，称为 polling 和 interrupts 。这两种技术都可以让处理器处理随时可能发生并且与其当前正在运行的进程无关的事件。

设备驱动程序是软件模块，可以插入操作系统以处理特定设备。操作系统从设备驱动程序获取帮助以处理所有 I/O 设备。设备驱动程序封装了与设备相关的代码，并实现了一个标准界面，这种方式下该代码包含特定于设备的寄存器读/写。设备驱动程序通常由设备制造商编写，并与设备一起在 CD-ROM 上交付。

设备驱动程序执行以下工作 −

设备驱动程序处理请求的方式如下：假设有一个请求来读取块 N。如果驱动程序在请求到达时处于空闲状态，它将立即开始执行请求。否则，如果驱动程序已经忙于处理其他请求，它会将新请求放在待定请求队列中。

中断处理程序也被称为中断服务例程或 ISR，是一段软件，更确切地说，是操作系统中的回调函数，或更确切地说，是设备驱动程序中的回调函数，其执行是由中断的接收触发的。

发生中断时，中断程序会执行它必须执行的所有操作来处理中断，更新数据结构并唤醒等待中断发生的进程。

中断机制接受一个地址 ─ 一个从一小组中选择特定中断处理例程/函数的数字。在大多数体系结构中，此地址是一个存储在称为中断向量表的表中的偏移量。此向量包含专用中断处理程序的内存地址。

与设备无关的软件的基本功能是执行所有设备通用的 I/O 功能，并向用户级软件提供一个统一的接口。虽然很难编写完全与设备无关的软件，但我们可以编写一些在所有设备中通用的模块。以下是设备无关 I/O 软件功能的列表 −

这些是提供更丰富且简化的接口以访问内核的功能或最终与设备驱动程序交互的库。大多数用户级 I/O 软件都由库过程组成，但有些例外，比如后台处理系统，它是多道程序系统中处理专用 I/O 设备的一种方式。

I/O 库（例如 stdio）位于用户空间中，用于提供与驻留在操作系统中的与设备无关的 I/O SW 的接口。例如，putchar()、getchar()、printf() 和 scanf() 是 C 编程中可用的用户级 I/O 库 stdio 的示例。

内核 I/O 子系统负责提供与 I/O 相关的许多服务。以下是一些提供的服务。

文件是有名称的、相关信息的时间，记录在磁盘、磁带和光盘之类的二级存储设备上。一般来说，文件是比特、字节、行或记录的序列，其意义由文件的创建者和使用者定义。

文件结构应遵照操作系统能够理解的所需格式。

文件类型是指操作系统区分不同类型文件的这种能力，例如文本文件、源文件和二进制文件等。许多操作系统支持多种类型文件。像 MS-DOS 和 UNIX 这样的操作系统具有以下类型的文件 -

文件访问机制指的是访问文件记录的方式。访问文件有几种方式——

文件由操作系统分配磁盘空间。操作系统采用以下三种主要方式将磁盘空间分配给文件。

身份验证是指识别系统的每个用户并将执行中的程序与这些用户相关联。操作系统负责创建一个保护系统，该系统确保运行特定程序的用户是经过身份验证的。操作系统通常使用以下三种方式识别/验证用户 -

One-time passwords provide additional security along with normal authentication. In One-Time Password system, a unique password is required every time user tries to login into the system. Once a one-time password is used, then it cannot be used again. One-time password are implemented in various ways.

操作系统进程和内核按照指示执行指定的任务。如果用户程序让这些进程执行恶意任务，则称为 Program Threats 。程序威胁的常见示例之一是安装在计算机中的一段程序，它可以通过网络将用户凭据存储并发送给某些黑客。以下是某些众所周知的程序威胁的列表。

系统威胁是指滥用系统服务和网络连接给用户带来麻烦。系统威胁可用于在称为程序攻击的整个网络上发起程序威胁。系统威胁创建这样的环境，以致于操作系统资源/用户文件被滥用。以下是某些众所周知的系统威胁的列表。

根据美国国防部可信计算机系统评估标准，计算机系统中有四种安全级别：A、B、C、D。这是一种广泛使用的规范，用来确定和模拟系统和安全解决方案的安全性。以下是每种级别的简要说明。

Linux 操作系统主要有三个组件

内核组件代码在称为 kernel mode 的特殊特权模式下执行，可以完全访问计算机的所有资源。此代码表示一个进程，在单个地址空间中执行，不需要任何上下文切换，因此非常高效且快速。内核运行每个进程并向进程提供系统服务，向进程提供对硬件的受保护访问。

不需要在内核模式下运行的支持代码位于系统库中。用户程序和其他系统程序在 User Mode 中运行，它们无法访问系统硬件和内核代码。用户程序/实用程序使用系统库访问内核功能以获取系统的底层任务。

以下列出了 Linux 操作系统的一些重要功能。

下图显示了 Linux 系统的架构 −

Linux 系统的架构由以下层组成 −